CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Khái niệm về năng lượng gió Bức xạ Mặt Trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất không đồng đều làm cho bầu khí quyển, nước và không khí nóng không đều nhau. Một nửa bề mặt của Trái Đất, mặt ban đêm bị che khuất không nhận được bức xạ của Mặt Trời và thêm vào đó là bức xạ Mặt Trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn là ở các cực, do đó có sự khác nhau về nhiệt độ, vì thế khác nhau về áp suất mà không khí giữa xích đạo và 2 cực cũng như không khí giữa mặt ban ngày và mặt ban đêm của Trái Đất di động tạo thành gió. Trái Đất xoay tròn cũng góp phần vào việc làm xoáy không khí vì trục quay của Trái Đất nghiêng đi so với mặt phẳng do quỹ đạo Trái Đất tạo thành khi quay quanh Mặt Trời nên cũng tạo thành các dòng không khí theo mùa.
Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự quay quanh trục của Trái Đất nên không khí đi từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyển động thẳng mà tạo thành các cơn gió xoáy có chiều xoáy khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu. Nếu nhìn từ vũ trụ thì trên Bắc bán cầu không khí di chuyển vào một vùng áp thấp ngược với chiều kim đồng hồ và ra khỏi một vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ. Trên Nam bán cầu thì chiều hướng ngược lại [2-3]. Sự chuyển động của không khí được gọi là gió như được trình bày trong Hình 1.1 Có thể sử dụng động năng của khối không khí chuyển động này chạy turbine gió để phát ra điện năng.
6 Trường Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh Huỳnh Văn Phú Hình 1.1: Quá trình hình thành gió [19] 1. Những yếu tố thúc đẩy sự phát triển năng lượng gió 1. Sự cạn kiệt của các nguồn tài nguyên hóa thạch Nhu cầu về năng lượng toàn cầu đang tăng từng ngày.
Cơ quan năng lượng quốc tế IEA dự đoán tới năm 2030 nhu cầu thế giới tăng hơn hiện tại 60%, khoảng 4800 GW. Khi nhu cầu năng lượng ngày càng tăng cùng với việc thiếu các biện pháp sử dụng hiệu quả các nguồn năng lượng hóa thạch (nguồn cung cấp chính chủ yếu cho các nhà máy phát điện), đặc biệt là khí đốt đang dần cạn kiệt. Ở Châu Âu nguồn nhiên liệu dầu và khí đốt tập trung chủ yếu ở vùng Biển Bắc đang suy giảm nhanh chóng. Hiện tại trữ lượng năng lượng hoá thạch của thế giới chỉ còn 34 triệu tỉ MJ (34.1012 MJ), trong đó than chiếm khoảng 60% (19630.1012 MJ), dầu các loại khoảng 22% (9185.1012 MJ) và khí đốt còn 5110.
Với mức tiêu thụ như năm 2010 (423.1012 MJ/năm) thì nguồn năng lượng hoá thạch còn lại chỉ đủ cho thế giới chúng ta sử dụng thêm khoảng 80 năm, trong đó than 200 năm, dầu khoảng 48 năm, khí đốt khoảng 15 năm và Uranium còn 40 năm. Thậm chí nguồn Uranium hiện tại là nguồn nhiên liệu cung cấp hơn 30% sản lượng điện cho Châu Âu cũng đánh giá là suy kiệt trong vòng 40 năm tới [2]. 7 Trường Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh Huỳnh Văn Phú Áp lực về nguồn năng lượng từ các nguồn tài nguyên hóa thạch của Việt Nam ngày càng lớn khi nguồn cung ngày càng cạn kiệt.
Nếu giữ nguyên tốc độ khai thác như hiện nay, trữ lượng dầu mỏ của Việt Nam chỉ đủ khai thác trong khoảng 34 năm, khí thiên nhiên chỉ còn 63 năm còn than đá chỉ còn khai thác được 4 năm trong khi đây lại đang là những nguồn đầu vào chính cho nền kinh tế Việt Nam. Vấn đề ô nhiễm môi trường Thế giới phải đối mặt với vấn đề về năng lượng phần lớn hoạt động sản xuất năng lượng của chúng ta vẫn tạo ra khí thải nhà kính. Chính việc sản xuất năng lượng chịu trách nhiệm cho 87% lượng khí thải nhà kính toàn cầu như được trình bày trong Hình 1.2 cho thấy, người dân ở các quốc gia giàu có nhất có lượng khí thải cao nhất.2 ở đây sẽ hướng dẫn chúng ta thảo luận về vấn đề năng lượng của thế giới. Nó cho thấy lượng khí thải CO2 bình quân đầu người trên trục tung so với thu nhập trung bình ở quốc gia đó trên trục hoành.
Ở những quốc gia mà người dân có thu nhập trung bình từ 15.000 USD, lượng khí thải CO2 bình quân đầu người gần với mức trung bình toàn cầu (4,8 tỷ CO2 mỗi năm). Ở mọi quốc gia có thu nhập trung bình của người dân trên 25.000 USD, lượng khí thải trung bình trên đầu người cao hơn mức trung bình toàn cầu. Lượng khí thải CO2 trên thế giới đang tăng lên nhanh chóng và đạt 36,6 tỷ tấn vào năm 2018. Khi nào chúng ta còn thải ra khí nhà kính thì nồng độ của chúng trong bầu khí quyển còn tăng lên.
Để chấm dứt biến đổi khí hậu, nồng độ khí nhà kính trong bầu khí quyển cần phải ổn định và để đạt được điều này, lượng khí thải nhà kính của thế giới phải giảm xuống mức 0%. Giảm lượng khí thải xuống mức 0% sẽ là một trong những thách thức lớn nhất của thế giới trong những năm tới [9]. 8 Trường Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh Huỳnh Văn Phú Hình 1.2: Lượng khí thải CO₂ dựa trên tiêu dùng bình quân đầu người so với GDP bình quân đầu người 2020 [9].
Nhu cầu sử dụng nguồn năng lượng ngày càng gia tăng Mức tiêu thụ điện của thế giới đã liên tục tăng trong nửa thế kỷ qua được thể hiện ở Hình 1. Từ năm 1980 đến 2019, mức tiêu thụ điện đã tăng hơn gấp ba lần, trong khi dân số toàn cầu tăng khoảng 75%. Tăng trưởng trong công nghiệp hóa và khả năng tiếp cận điện trên toàn cầu đã thúc đẩy hơn nữa nhu cầu điện [15]. 9 Trường Đại học Bách Khoa Tp.
Hồ Chí Minh Huỳnh Văn Phú Hình 1.3: Tiêu thụ điện toàn cầu 1980-2019 [15] 1. Điện hạt nhân một giải pháp hiệu quả nhưng ẩn chứa nhiều rủi ro Năm 2005, năng lượng hạt nhân cung cấp 2,1% nhu cầu năng lượng của thế giới và chiếm khoảng 15% sản lượng điện thế giới, trong khi đó chỉ tính riêng Hoa Kỳ, Pháp, và Nhật Bản sản lượng điện từ hạt nhân chiếm 56,5% tổng nhu cầu điện của ba nước này [11]. Đến năm 2007, theo báo cáo của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) có 439 lò phản ứng hạt nhân đang hoạt động trên thế giới [12], thuộc 31 quốc gia [13]. Năm 2007, sản lượng điện hạt nhân trên thế giới giảm xuống còn 14%.
Theo IAEA, nguyên nhân chính của sự sụt giảm này là do một trận động đất xảy ra vào ngày 16 tháng 7 năm 2007 ở phía tây Nhật Bản, làm cho nước này ngưng tất cả bảy lò phản ứng của nhà máy điện hạt nhân Kashiwazaki-Kariwa. Năng nượng hạt nhân là một nguồn năng lượng bền vững làm giảm phát thải cacbon và các khí nhà kính. Tuy nhiên năng lượng hạt nhân là nguồn năng lượng chứa đựng nhiều tiềm năng nguy hiểm và rủi ro rất lớn nếu xảy ra sự cố. Các ảnh hưởng của năng lượng hạt nhân là rất lâu dài và rất tốn kiếm để khắc phục hậu quả.
Hiện nay nhiều 10 Trường Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh Huỳnh Văn Phú nước trên thế giới đã xem xét và dần loại bỏ năng lượng hạt nhân để dần thay thế các nguồn năng lượng tái tạo như: Năng lượng gió, năng lượng mặt trời,… hoặc các nguồn năng lượng hóa thạch khác. Tình hình phát triển điện gió trên thế giới Trong số các nguồn năng lượng sạch sẵn có khác nhau như năng lượng mặt trời, năng lượng sóng biển, năng lượng địa nhiệt,… năng lượng gió có lợi thế khác biệt so với các nguồn năng lượng tái tạo khác và không ngừng phát triển mạnh mẽ đặc biệt là trong hai thập kỷ qua được thể hiện Hình 1.4: Lịch sử phát triển công suất lắp đặt (GW) năng lượng gió trên thế giới trên bờ và ngoài khơi, 2016-2020 [18] Năm 2021, sản lượng điện gió tăng kỷ lục 273 TWh (tăng 17%). Đây là mức tăng trưởng cao hơn 55% so với mức đạt được vào năm 2020 và là mức tăng trưởng cao nhất trong số tất cả các công nghệ năng lượng tái tạo.
Sự phát triển nhanh chóng như vậy có được là nhờ sự gia tăng chưa từng thấy về công suất gió bổ sung, đạt 113 GW vào năm 2020, so với chỉ 59 GW vào năm 2019 [5]. 11 Trường Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh Huỳnh Văn Phú Lượng điện do gió tạo ra đã tăng gần 273 TWh vào năm 2021 (tăng 17%), mức tăng trưởng cao hơn 45% so với mức đạt được vào năm 2020 và lớn nhất trong số các công nghệ phát điện. Gió vẫn là công nghệ tái tạo hàng đầu, tạo ra 1.870 TWh vào năm 2021 được thể hiện ở Hình 1.5 kịch bản sản lượng điện gió năm 2010 - 2030, gần bằng tất cả các công nghệ khác cộng lại.5: Kịch bản sản lượng điện gió năm 2010 - 2030 [5] Trung Quốc chịu trách nhiệm cho gần 70% tăng trưởng điện gió vào năm 2021, tiếp theo là Hoa Kỳ ở mức 14% và Brazil ở mức 7%.
Liên minh Châu Âu, mặc dù có mức tăng trưởng công suất gần kỷ lục vào năm 2020 và 2021, nhưng sản lượng điện gió giảm 3% vào năm 2021 do điều kiện gió thấp kéo dài bất thường. Trên toàn cầu, mức tăng trưởng phát điện kỷ lục có thể đạt được nhờ mức tăng trưởng công suất tăng 90% vào năm 2020, đạt 113 GW, do thời hạn chính sách ở Trung Quốc và Hoa Kỳ. Tuy nhiên, vào năm 2021, lượng gió bổ sung đã giảm một phần ba ở Trung Quốc và một phần tư ở Hoa Kỳ, được bù đắp một phần bởi tốc độ tăng trưởng nhanh hơn ở các khu vực khác trên thế giới, dẫn đến tăng trưởng công suất tổng thể đạt 94 GW [5]. Qua các số liệu trên có thế thấy rằng điện gió là một loại nguồn có công suất phát phụ thuộc vào tốc độ gió và biến thiên không ổn định có chế độ gió biến đổi theo thời 12 Trường Đại học Bách Khoa Tp.
Hồ Chí Minh Huỳnh Văn Phú gian trong một giới hạn rất rộng, ngoài ra lượng gió và thời gian tồn tại gió theo hướng cũng luôn thay đổi. Do đó cần phải nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của nhà máy điện gió khi đấu nối vào lưới điện của khu vực. Tình hình phát triển điện gió tại Việt Nam Tài nguyên gió của Việt Nam chủ yếu nằm dọc theo bờ biển dài hơn 3.000 km, vùng đồi núi và cao nguyên của miền Bắc và miền Trung [6]. Một nghiên cứu ESMAP của Ngân hàng Thế giới được trình bài ở Bảng 1.
